Hvordan en biofysisk simuleringsmetode kan fremskynde opdagelsen af ​​lægemiddelmål

Forskere ved California Institute of Technology har udviklet en tilgang til at overvinde en stor anstødssten i at teste nye lægemiddelmål. Forskningen er rapporteret i en nov. 24 papir i Journal of Biological Chemistry .

Proteiner indlejret i cellemembraner er potentielle mål for lægemidler til behandling af en række sygdomme, fra infektionssygdomme til kræft. Membranproteiner (som inkluderer transportere, kanaler, og receptorer) er målene for næsten 70 procent af FDA-godkendte lægemidler.

Imidlertid, det er notorisk svært for forskere at producere membranproteiner i laboratoriet i tilstrækkelige mængder til at kunne oprense dem og udføre eksperimenter med potentielle lægemidler. Professorerne Thomas F. Miller III og William M. Clemons Jr. fra Institut for Kemi og Kemiteknik ved Caltech spekulerede på, om der var en måde at hjælpe forskere, der oplever dette problem.

"Vores motivation for dette projekt blev virkelig født ud af frustration over dette generelle problem, hvilket er, at membranproteiner er meget svære at producere i skala til eksperimentelle formål, " sagde Clemons.

For at producere proteiner af interesse, forskere indsætter typisk genet, der koder for proteinet, i en laboratoriearbejdshestcellelinje, såsom E. coli; denne proces kaldes heterolog overekspression af et protein. Men membranproteiner overudtrykkes typisk kun i meget små mængder, af årsager, der har været dårligt forstået indtil nu. Individuelle forskere bruger nogle gange år på at forsøge at ændre deres proteiner af interesse på måder, der vil gøre dem mere effektivt udtrykt i laboratoriet.

"Folk jager bare rundt i mørket for forhåbentlig at finde noget, der fungerer bedre, så de kan få nok protein til at udføre deres studier, " sagde Miller. "Nye værktøjer er nødvendige for rationelt at forbedre det, at gøre det på en mere målrettet måde."

For at se, om der var nogen generelle principper, der kunne vejlede forsøg på at forbedre membranproteinekspression, Clemons og Miller og deres kandidatstuderende Michiel J.M. Niesen og Stephen S. Marshall fokuserede på et specifikt trin i processen:det punkt, hvor en celle rent faktisk indsætter et nysyntetiseret protein i membranen.

Effektiviteten af ​​indsættelse - dvs. den brøkdel af tiden, et protein indsættes korrekt i membranen - afhænger af proteinets aminosyresekvens. Holdet udviklede en beregningssimuleringsmetode til at forudsige, hvordan en ændring i sekvensen ville påvirke indsættelseseffektiviteten.

I den nye undersøgelse, holdet testede, hvordan dette forudsagde effektivitet relateret til proteinekspression i laboratoriet. Holdet producerede systematisk mange varianter af et bestemt protein og brugte algoritmen til at forudsige hver variants membranindsættelseseffektivitet. Derefter kvantificerede forskerne, hvor meget protein der blev produceret. Som de havde antaget, forbedret insertionseffektivitet korreleret med forbedret proteinudbytte.

Nu kan forskere, der er interesseret i at studere et bestemt membranprotein, bruge disse simuleringsværktøjer til at forudsige, hvilke ændringer de skal foretage i deres proteinsekvens for at producere membranproteinet i laboratoriet. Der er forbehold:Hvis et bestemt protein i en bestemt celletype er udsat for ineffektivitet på andre trin i dets syntese udover membranindsættelse, så hjælper den nye metode måske ikke. Men forskerne er sikre på, at metoden giver en vej frem for mange membranproteinforskere, der kæmper for at udtrykke deres proteiner.

"Vi tror på, at de værktøjer, vi har udviklet her, har potentialet til virkelig at revolutionere membranproteinekspression, " sagde Clemons. "Der er stadig ting, vi skal gøre for fuldt ud at indse, at men dette papir viser, at potentialet er der."

Forskerne går nu sammen med andre for at sætte disse værktøjer i brug.

"Der er mange membranproteinmål, der er af reel betydning og reel værdi for farmaceutiske og lægemiddeldesignformål, " Miller sagde "Hvis vi kan hjælpe folk ved at bringe et undvigende mål inden for rækkevidde, det ville være en stor sejr."